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기술동향
정지궤도 기상위성 개발 현황 및 기술 동향
글/남 문 경mgnam@kari.re.kr 한국항공우주연구원 통신해양기상위성사업단
서론 1.
한국항공우주연구원은 2008년 발사를 목표로 하여 정지궤도용 통신해양기상위성을 개발하고 있 다 본 위성은 임무 수행을 위하여 기상센서 해양. , 센서 및 통신탑재체가 탑재되는 전형적인 복합위성 이다 현재 개발하고자 하는 위성의 개념설계를 수. 행하여 해외 공동 개발 협력업체 선정을 위한 개발 제안요구서를 작성하는 시점에서 지금까지 전 세계 적으로 운용되고 있는 정지궤도용 기상위성의 개발 현황 및 기술동향을 기술하고자 한다.
세계의 정지궤도 기상위성 운영 현황 2.
전 세계의 정지궤도 기상위성은 그림 1과 같이 관측 망을 구성하고 있다 위성 운용국가는 자국 및. 인접국가 영역에 대한 기상관측뿐만 아니라 전 세 계적으로 기상 기후 재해에 대한 예방과 지구 환경, 보존 차원에서 기상자료를 공유하며 운용협력 체제 를 유지하고 있다.
그림1. 세계 정지궤도 기상위성 관측망
이를 위하여 1972년 위성 운용국간의 협의체인 가 결성되었다 한편 유엔의 산하에서
CGMS . WMO
는 위성 운용국가와 위성자료 활용국가가 총 망라된 정례회의가 운영되면서 기상자료 활용기법의 공유,
기상자료의 포맷 규격화 및 자료 수신 장비의 표준 화 등을 통하여 공조체제를 더욱 강화하고 있다 .
정지궤도 기상위성 보유국 현황 3.
미국 3.1
미국은 정지궤도 기상위성으로 아메리카 대륙의 동부 및 대서양 일부를 관측하는GOES-East와 서 부 및 태평양 일대를 관측하는GOES-West 2기를 운영하고 있다. 현재 GOES-12호가 서경 75도
호가 서경 도
(GOES-E), GOES-10 135 (GOES-W) 적도 상공에서 작동하고 있으며 GOES-8호와 11 호가 서경 105도 적도 상공에 대기모드로 배치되 어 있다.
미국은 정지궤도용 및 극궤도용 기상관측 위성 뿐만 아니라 이에 탑재되는 기상센서를 주도적으로 개발해오고 있으며 기상자료의 활용분야에서도 선 도적인 역할을 하고 있다 또한 향후 정지궤도용 및. 극궤도용 기상위성의 통합 운용 시스템을 구축할 계획을 가지고 있다.
현재까지GOES를 제외한 모든 정지궤도용 기상 위성은 기상센서로서 영상기(Imager)만을 탑재하 고 있지만 미국의 GOES 위성만이 유일하게 탐측 기(Sounder)까지 탑재하여 활용 성능을 극대화 시 키고 있다.
유럽연합 3.2
유럽은 여러 국가가 콘소시움을 형성하여 자체 적으로 기상관측 전용위성인 Meteosat 위성 시 리즈 7기와 MSG 위성 시리즈를 개발하여 사용 하고 있다. 1977년Meteosat 1호가 발사된 이래 현재 Meteosat-7호는 동경 0도 적도 상공에서 유럽 및 아프리카대륙 상공의 기상관측을 수행하 고 있으며 Meteosat-5호는 국제 기상관측 협력 프로그램의 일환으로 미국 유럽 및 인도의 참여, 하에 1998년부터 동경 63도 적도 상공에서 인
도양 영역의 기상 및 대기 관측업무를 담당하고 있다.
년 정부간 협정에 의해 설립된 유럽기상위성 1986
기구(EUMETSAT)는 기존의 유럽우주기구(ESA)가 담당하였던 Meteosat 위성의 운영 및 자료 이용 등 에 관련된 업무와 차세대 기상위성인MSG위성 시 리즈의 개발 운영 업무를 관장하고 있다, . 현재 유럽
개국이 가입되어 있으며 본부는 독일의
17 , Darmstadt
에 두고 있다.
유럽연합은 Meteosat 위성 시리즈의 후속으로 년대 중반부터 차세대 위성인 위성의 개
1990 MSG
발에 착수하여 2002년 MSG-1호를 발사 성공한 바 있으며 향후 10년 동안 3기를 더 발사 운용될, 예정이다 유럽에서 사용되고 있는 모든 기상위성. 은 실린더형의 회전 안정화 방식 위성체를 채택하 고 있다 한편. Meteosat위성 시리즈에는 채널 영3 상기가 탑재되어 왔으나2002년 발사된MSG-1호 위성부터는12채널의 영상기가 획기적으로 개발되 어 탑재되었다.
일본 3.3
한국 기상청이 일기예보에 활용하고 있는 정지 궤도 기상위성 GMS-5호는 최근까지 동경 140도 적도상공에서 지구를 바라보며 동남아시아 호주, , 서태평양 영역의 구름분포와 대기의 흐름 등을 관 측하였다 일본은 일찍이. 1977년부터 기상전용 위 성인GMS위성 시리즈를 미국으로부터 제작 구매 하여 운영해 왔으나 최근, GMS-5호의 기상 관측 수명이 종료되었음에도 불구하고 후속위성의 확보 계획에 차질이 발생하면서 2002년 6월부터 미국
로부터 위성을 임대하여 동경
NOAA GOES-9 155
도에서 기상관측을 수행토록 하며 GMS-5호는 기 상자료 중계 용도로 사용하고 있다.
일본은GMS위성 시리즈의 후속으로1999년 말 기 상관측 및 항공기 통제를 위한 복합용도인 MTSAT-1 위성을 미국으로부터 제작 구매하여 자체 개발한 발사체로 발사하였으나 발사 자체에 실패하고 H-2
말았다 그 이후. MTSAT-1R위성을 재 발주하였으 나 제작상의 지연으로2003년 초 발사 계획이 일년 정도 연기되어 있다 한편. MTSAT-2 위성은 처음 으로 일본 국내 위성제작 전문업체인 MELCO 가 수주 받아 현 (Mitsubishi Electric Corporation)
재 개발 중에 있다.
인도 3.4
안도는 일찍부터 열악한 지상 정보통신망과 가뭄 이나 홍수와 같은 극심한 자연재해에 대한 해결책으 로 통신방송 및 기상관측 복합 용도의 정지궤도위성 을 구상하게 되었다 인도는. 1980년대 초에 복합위 성인INSAT-1시리즈 기를 순차적으로 미국 업체4 로부터 제작 구매하였으나 이후INSAT-2 시리즈3 기와INSAT-3 시리즈 1기를 자체적으로 개발하여 현재 운용하고 있다. INSAT-2및INSAT-3시리즈 에는 채널 영상기와3 CCD카메라가 자체적으로 개 발되어 탑재되었다 인도는 기상 자료의 활용에 있어. 서 인접 국가들과의 이해관계로 소극적이었으나 최 근에는 미국과의 자료 공유 체제를 가동하고 있는 것 으로 알려져 있다. 2002년 9월에는 소형 정지궤도 기상위성인METSAT-1호가 발사된 바 있다.
중국 3.5
중국은1994년 실험용으로 회전 안정화 방식의 정지궤도 기상위성 FY-2호를 자체적으로 개발하 였으나 발사 준비과정에서 폭파되었던 경험이 있으 며 FY-2A,B호는 1997년과 2000년에 각각 성공 적으로 발사되었지만 부분적으로 고장이 발생하여 정상적인 운용에 제한을 받고 있는 것으로 알려졌 다 탑재된 영상기는 채널로서 자체적으로 개발되. 3 었으며 향후 채널로 확장될 예정이다5 .
러시아 3.6
러시아는 실험용으로 3축 자세제어 방식의 정지 궤도 기상위성 GOMS을 자체적으로 개발하여 년 발사하였지만 부분적 고장이 발생하여 정 1994
상적인 운용에 제한을 받고 있는 것으로 알려졌다.
탑재된 영상기는 2채널로서 자체적으로 개발되었 으며 향후 채널로 확장될 예정이다 러시아3 . GOMS 위성의 부분적인 작동과 중국 FY-2 위성의 발사 실패는 인도양 상공을 위성관측 공백지역으로 두게 되었으므로 전 지구 관측 측면에서 Meteosat-5호 위성이 동경63도로 이동하게 된 계기가 되었다.
정지궤도 기상위성 개발사 4.
기상위성은 정지궤도용과 극궤도용으로 관측 센 서의 발달과 함께 용도가 넓혀져 왔다 미국의 기상. 위성은NASA와NOAA를 중심으로 기술이 개발되 고 운영되면서 유럽 및 전 세계 기상위성의 개발 및
운용에 근간을 이루게 하였다.
년대 이전까지만 하더라도 필름을 장착 1960
한 카메라로 기상 영상을 찍는 수준이었다 그러. 나 처음으로 필름을 소재로 쓰지 않는 Vidicon 카메라를 사용하여 구름을 찍을 수 있는 저궤도 위성 TIROS(Television Infrared Observation 가 년에 발사됨으로써 한번에 비 Satellite) 1960
교적 넓은 지역을 스캔할 수 있는 새로운 전기가 마련되었다 이는 시리즈로 개발되면서 극궤도용. 지구관측 및 기상관측 위성의 효시가 되었을 뿐 만 아니라 정지궤도 기상위성인 GOES 위성의 태동을 가능하게 하였다.
이후 영상기술의 발달로 영상기가 등장하여 향상 된 분해능으로 가시광선 영역(Visible Spectrum) 뿐만 아니라 열적외선 영역(InfraRed Spectrum)까 지 영상을 찍을 수 있게 됨으로써 구름 공기 온도, , 바람 패턴에 관한 정보까지도 획득할 수 있게 되어 기상위성의 효용이 배가되기 시작하였다 이러한. 기술의 발달로 오늘날 극궤도 기상위성으로는
시리즈가 지속적으로 개발 운용되고 있다
NOAA , .
극궤도 위성에서는 운용 고도가 낮기 때문에 동 일 분해능을 가진 관측 센서를 사용하더라도 지표 면에서 1km 정도의 고해상도까지 구현이 가능하 지만 궤도 특성상 일정한 지역을 지속적으로 관찰 할 수 없는 한계가 있다 이에 대한 상호 보완적 관. 계로 일정 지역의 상시 관측이 가능한 정지궤도 기 상위성의 개발 기술이 정지궤도 우주환경에서도 고 분해 성능이 발휘될 수 있는 기상 관측 센서의 개발 과 더불어 발전되어 오고 있다.
미국의 정지궤도 기상위성은1966년부터NASA 에 의하여 실험위성 ATS 및 SMS 시리즈가 개발 운영되다가 1970년대 중반 GOES(Geostationary 시리즈로 Operational Environmental Satellite)
발전하여 GOES 4-7호의 1세대와 GOES 8-12호 의2세대의 개발 운용을 거쳐 현재는, GOES N-Q 시리즈에 대한 설계 제작에 이르렀으며 차세대 기, 상위성 시리즈인GOES-R시리즈가 대폭적인 기술 혁신을 전제로 개발 중이다.
미국GOES 위성 시리즈의 개발 과정으로부터 파 생되어 다른 나라에서도 정지궤도 기상위성을 자력 으로 개발하여 운용하기에 이르렀으며 총체적인 정 지궤도 기상위성의 발전 흐름은 그림2에서 보는 바 와 같다.
그림2.기상위성 변천사
초기 기상위성은 실린더형의 회전 안정화방식 위성체 자체가 일정한 속도로 회전함에 따라 이에 부착된 영상기의 거울이 남북 방향으로만 이동하면 서 전지구를 스캔하는 기술적으로 비교적 간단한 방식을 취하였다 그러나. 1980년대 초반 통신 방송 및 기상 관측를 위한 복합위성인 Insat-1 시리즈 위성 개발 사업을 통하여 충분한 전력 확보와 위성 체 공간 활용이 용이한 박스형의 축 자세 제어 방3 식의 위성체가 개발되었다 한편 보다 풍부한 기상. 관측 정보를 확보하기 위하여 대기 상태의 수직 성 분 측정이 가능한 탐측기(Sounder)의 개발 필요성 이 제기되어 현재로는 GOES 위성만이 장착하고 있지만 이의 기능이 입증되고 성능이 월등히 향상 되면 필연적으로 모든 기상위성이 탑재할 것이며 영상기와 탐측기를 독립적이며 동시에 작동시키기 위해서도 위성체는 박스형의 축 제어 안정화 방식3 을 채택할 것이다.
정지궤도용 기상위성은 관측 센서의 열적외선 채 널 탐지 소자(Detector)가 안정된 성능을 발휘할 수 있도록 하기 위하여 센서 자체를 위성체의 냉각 공간에 위치시켜야 하며 이런 제한 때문에 위성체 의 북쪽 패널에는 태양 전지판을 설치하지 못하는 특징이 있다 미국. GOES 위성의 경우에는 영상기 나 탐측기와 같은 기상 관측용 센서뿐만 아니라 여 러 개의 우주 관측용 센서를 탑재하였지만 소요되 는 전력은 한 쪽의 태양 전지판으로 충분하였다 그. 이후 인도Insat위성이나 일본MTSAT 위성의 경 우 기상 관측이외에 통신이나 항공관제와 같은 기 능이 추가됨으로써 비교적 대용량의 전력이 요구되 었지만 전력 생성시스템의 개선 및 고효율 태양전 지의 개발로써 한쪽 면의 태양전지판을 사용해야만 하는 제한점을 극복하며 복합위성의 운용을 가능하
게 하였다 최근 브라질에서도. MTSAT과 같은 용 도의 기상관측 및 항공관제용의 복합위성을 수주하 고자 한다.
한편 최근에는 우주 공간에서의 능동 냉각 기법이 개발되어 구현될 전망이 (Active Cooling)
다 관측 센서모듈 내부에서 능동냉각 기법으로 탐. 지 소자의 온도를 자체적으로 제어할 수 방법이 제 안됨으로써 센서의 탑재 위치에 대한 제약이 해소 되고 위성체에 태양전지판을 양쪽으로 부착할 수 있게 되어 대용량의 전력 발생이 가능해 질 것이다.
기존의 정지궤도 통신방송 위성이 전형적으로 위성 체의 양방향으로 태양전지판을 보유하고 있으므로 궁극적으로는 이들 위성에 기상 관측 센서를 위치 에 구애받지 않으며 추가로 탑재함으로써 자연적으 로 통신방송 및 기상 관측용 복합위성이 출현하게 될 것이다 참고적으로. 2004년 발사 예정인 일본의 위성에 탑재될 영상기에는 능동냉각 MTSAT-1R
기(Active cooler)가 정지궤도용으로 처음 개발되 어 장착되어 있다 하지만 보완책으로 기존의 수동. 방열시스템이 설계되어 있을 뿐만 아니라 태양전지 판은 여전히 위성체의 한쪽 패널에만 설치되어 있 다 또한 미국에서. 2012년 이후 발사 계획으로 현 재 개발 중인 차세대 기상위성인 GOES-R 시리즈 위성에 능동 냉각기가 내장된 기상 관측 센서의 설 치 여부가 주목된다.
한편 태양풍이 한쪽면의 태양전지판에만 작동함 으로써 위성체에 야기되는 토크의 불균형을 해소하 기 위하여 태양전지판 반대편에는 Solar sail boom 이 설치되어 있으며 그럼에도 불구하고 발생하는 토크의 잔여 불균형에 대하여 미세 조종할 수 있는 이 태양전지판 끝단에 부착되어 있는 형태 Trim tab
가 또한 기상위성의 전형이라고 할 수 있다 그러나. 조차도 기상 관측 센서의 방열시 solar sail boom
스템에 무시하지 못할 정도의 방해 요소가 된다고 검증되어 2004년 발사예정으로 개발되고 있는
호부터는 과
GOES-N Solar Sail Boom Trim Tab 을 장착하지 않고도 태양풍에 의한 토크 불균형을 위성체 자체의 자세제어용 하드웨어 및 소프트웨어 로 제어할 수 있도록 설계되었다 그림 은. 3 GOES
호의 개략도로서 태양전지판 끝단에
8-12 Trim tab
이 보이며 그 반대편에Solar sail boom이 보인다. 영상기와 탐측기는 이들의 방열판이 Solar sail
쪽으로 방향을 잡도록 설치되어 있다
boom .
그림3. GOES-2세대 기상위성 전개형상
그림 4에서는 이상에서 언급한 기상위성의 기술 변천 추세를 기상위성의 스케치와 함께 정리하였다.
* Spin 형 위성체 형 위성체에 - Spin Imager
고정 부착
위성체 회전 지구스캔
- =>
짧은 관측시간
=>
간단 효율적
- ,
부착불가 - Sounder
전력생성량 제한 -
ꁿ
* 3축 안정화형 위성체 w/1 solar panel & solar sail 독립 - Imager & Sounder
운용가능
기상센서위치 제한 -
비교적 대용량 전력생성 -
가능
위성체의 공간활용가능 -
복합용도 가능
=>
ꁿ
* 3축 안정화형 위성체 w/1 solar panel
없이 태양풍 - Solar sail
밸런스 가능한 자세제어 구현
ꁿ
* 3축 안정화형 위성체 w/2 solar panel
능동 냉각기의 개발 -
센서모듈내의 자체적
=>
방열시스템 구현 센서의 자유로운
=>
공간배치 가능 전력대용량 통신위성에
=>
기상센서 추가 탑재 개념 구현
복합위성의 전형
=>
그림4.정지궤도 기상위성 기술 변천 추세
기상위성 개발 기술 현황 5. GOES
미국의 GOES 프로그램으로 불리는 정지궤도 기상위성은 SMS-1, 2호 이후 지금까지 시리즈로 개발되면서 2001년 7월 GOES-12호를 발사하기 에 이르렀다 개발체계로는. NASA가 NOAA(기상 청 포함 로부터 사용자 요구사항을 받아서 제작회) 사에게 위성체 제작 및 발사용역을 발주하고 감리 를 수행한 후 정지궤도상에서 사용자인 NOAA에 게 인도한다 관측 센서는 센서 제작회사와 별도. 계약을 맺어 납품받아 위성체 제작사에 관급하고 있다 표. 1에서는 GOES위성의 개발 현황을 보여 주고 있다.
표1. GOES기상위성 개발현황
구분 발사 년도 위성체 관측장비
GOES 세대 1
GOES 1-3
1975/
1977/
1978 실린더형 회전 안정화
방식
VISSR
GOES 4-7
1980/
1981/
1983/
1987
VISSR/
Sounder 일체형
( )
GOES 세대 2
GOES 8-12
1994 1995 1997 2000 2001
박스형 축 3 안정화
방식
Imager/
Sounder 분리형
( )
GOES 후속세대
GOES-N,O 2004/05 예정
GOES-P,Q 2007/10 예정 GOES
세대
3 GOES-R 2012이후 ABI/ABS
분리형
( )
세대에서는 처음에는 영상기만을 탑재 GOES 1
하였지만 GOES-4호에서부터는 정지궤도에서 대 기층의 수직방향 온도 및 수분을 측정할 수 있는 탐 측기를 탑재하여 차원 공간적인 구름층의 고도 및3 온도를 측정하여 기상 예측의 정확성을 높일 수 있 는 가능성을 시도하였다 또한 구름의 영상자료로. 구름의 이동 바람의 방향 및 속도를 측정할 수 있, 게 되었다 그러나 이 때까지도 위성체 자체는 실린. 더형으로 영상기와 탐측기가 일체형으로 하나의 유 닛속에서 작동되고 있었다. GOES-7호에는 선박이 나 비행기의 조난시 구조 시스템의 중계 역할을 할
수 있는 기능이 추가되었다.
미국 기상위성의 두 번째 시리즈인 GOES 8-12 호는 위성체 및 기상센서의 기술 혁신으로 활용 면 에서 큰 발전을 이루게 된다 탐측기의 기능이 보강. 되면서 영상기와 탐측기를 독립적으로 운용할 필요 성이 대두되어 각각의 센서에 자체적인 스캔용 거 울 구동시스템을 개발 설치하고 이에 따라 위성체, 도 실린더 형에서 축 자세안정화 방식의 박스형태3 를 채택하게 되었다. 그 당시 위성 제작회사인 은 인도로부터 축 자세 안정화 방식의 정지
SS/L 3
궤도 통신방송 및 기상관측을 위한 복합위성을 수 주하여 제작하였던 경험이 있었지만GOES위성체 는 인도의Insat위성체와는 달리 두개의 관측 센서 가 독립적이고 동시에 작동하면서 요구되는 성능을 발휘할 수 있도록 소위 정밀 영상위치 시스템 을 지원하여 (Image Navigation and Registration)
야 하며 관측센서 자체도 정지궤도 우주환경에 적 합하도록 개발되어야 하였으므로 엄청난 어려움을 겪었다. 결국 미국NOAA는GOES-8호 확보 계획 에 차질이 생기면서 급기야는 작동 수명이 종료된
호를 대체하기 위하여 유럽의
GOES-7 Meteosat-3
호를 미국 상공으로 임대하여 기상 서비스를 유지하 는 지경에 이를 정도로 예상하지 못하였던 엄청난 기술적인 어려움을 겪으면서 예산과 시간을 투자하 였다.
또한GOES-8호에는 지상이나 해상에 설치되어 있는 강수량 조류 계측기 등의 장비로부터 정보를, 받아 관련 활용기관으로 전송하는 자료수집 기능이 추가되었다.
호는 년 발사되어 서경 도
GOES-9 1995 135
에서 운용 중 1998년 여름 모멘템 휠의 윤활유 누수 현상이 감지되어 1997년 발사되어 서경 도에서 보관 중이던 호로 긴급 대
105 GOES-10
체되었다. GOES-9호는 현재 일본 기상청에서 임대하여 GMS-5위성의 관측임무를 대행하고 있다.
호는 발사 후 초기 단계에서 태양전지 GOES-10
판이 정상 방향으로 회전하지 않는 중대한 결함이 발생하였다 지상관제를 통하여 위성체를. 180도 회전시킨 후 태양전지판을 역방향으로 회전시켜 정 상적인 전력 생성이 가능토록 하여 현재 운용중이 다 이에 따라 영상기나 탐측기로부터의 영상자료. 정보를 최종 사용자가 정상적으로 활용할 수 있도
록 지상시스템의 자료처리 소프트웨어와 위성체의 관련 소프트웨어에 세밀한 수정이 있었다 이러한. 과정을 통하여 위성 운영을 위한 지상 시스템이 상 당히 보강되었다.
기상위성 최우선순위 요구사항 5.1 GOES
미국NOAA와 기상청은 GOES 2세대 위성을 운 용하면서 인식하게 된 결점으로부터 2010년에서 년까지 운용할 차세대 정지궤도 기상위성의 2025
개발에 대하여 아래와 같은 최우선 순위의 요구사항 을 제시하면서 운용요구문서(Operational Requirement Document :ORD)를 발표하였다 대표적인 요구 사. 항은 표 와 같다2 .
춘 추분 식기간 및 전후에도 작동할 수 있을,
○
것 기존의. GOES 위성은 식기간 및 식기간 전후 시간은 지구를 관측하지 못하므로 악천후 기상 3-4
과 겹칠 경우에는 긴급한 자료의 확보에 막대한 지 장을 초래한다.
영상기(Imager) 정보의 시간 분해능을 높
○
일 것 전 지구를. 15분 이내에 그리고 북미대륙, 을 매 5분마다 관측 가능하게 하고 또한 악기상, 예상시1000 × 1000km 이상의 지역을 매30초 마다 관측할 수 있도록 하여 종관 규모의 변화를 모니터링 함으로써 전지구 예측 수치모델과 특 정 지역 예측 수치 모델의 성능을 향상시킬 수 있다 또한 급격히 변하는. Mesoscale 규모의 변 화를 모니터링 함으로써 기상 레이더가 커버하 지 못하는 지역에서도 경보시간을 단축시킬 수 있다.
영상기 정보의 공간 분해능을 높일 것 가시.
○
광선 채널에 대하여는0.5km, 적외선 채널에 대하 여는 2 km의 분해능을 보유할 것 지상의 기상 레. 이더로 탐지되지 않는 지역에서도 악천후에 대한 조기예보가 가능해 진다.
탐측기(Sounder)의 관측 범위를 넓힐 것 한.
○
시간이내에 최소한12000 × 12000km범위를 관 측할 수 있는 성능을 보유함으로써 매 시간 미 대 륙 및 주변 해양에 대하여 구름으로부터 생성되는 부가물들을 산출해 낼 수 있다.
천둥이나 태풍과 같은 악기상에 대하여 제한
○
된 시간내에 국지적 영상을 제공할 수 있을 것 짧. 은 기간동안 수분마다 수집하는 국지적인 영상은
빠르게 형성되는 폭풍 등을 모니터하며 이의 방향 이나 강도를 예측하는데 도움을 준다. 현재의 영상기 운영 방식은 미 대륙권내에서 발생 GOES
하는 폭풍 형성 등에 대비하기 위한 신속하게 갱신 된 영상과 통상적인 일기 예보를 위한 북반구에 대 한 자료를 동시에 제공할 수 없다 따라서 중규모의. 격심한 폭풍 형성과 북반구 기상 패턴의 Synoptic 사이의 상충되는 요구를 해결하기가 어렵다
Views .
따라서 현재보다 획기적으로 다양한 정보를 수집할 수 있는 영상기의 스캔 방식이 요구된다.
관측 지향도를 높일 것 특히 영상기의 경우.
○
지표면 위치와 기상영상이 정확히 매핑 되기 위해 서는 관측 지향도가 상당히 중요하지만GOES 2세 대 위성에서는 정확도가 만족스럽지 못하여 지상국 에서 오퍼레이터가 오차를 수정하기 위한 추가적 작업을 주기적으로 수행하고 있는 실정이다.
기상위성 기술적 지원사항 5.2 GOES
기상위성의 운용측면에서의 요구사항 이외에도 위성체와 관측 센서의 개발에서 기술적으로 지원 해 주어야 할 사안으로 다음과 같은 요소를 들 수 있다.
영상기의 빠른 스캔 속도로 수집되는 방대한
○
정보양을 지상국으로 최대한 빨리 보내기 위해서
및 의 최신
On-board Data Processing Screening 기술이 적용되어야 한다.
가급적 지상의 지원 기능 없이도 궤도상에서
○
궤도결정 및 위치유지를 처리할 수 있는 Autonomy 기법이 적용되어야 할 것이다.
시스템이 개선 Battery Power Management
○
되어 식기간에도 위성운용에 상당한 제한이 없어야 한다.
관측 센서의 기술도 상당히 발전하여 고해상
○
도의 자료를 신속하게 수집할 수 있는 기능이 구현 되어야 할 것이다 이는. Focal Plane Array기술의 적용으로 가능해질 것이며 이를 위해서 탐지 소자 에 대한 능동 냉각 기술이 전 수명동안 (detector)
신뢰할 수 있음이 완전히 입증되어야 한다.
종래의 Filter Wheel 타입에서 Spectrum
○
형 탐측기의 개발로 수백 채널에 Interferometer
서 수천 채널의 사용이 가능토록 하여 탐측기 데이 터의 활용 가치를 높여야 할 것이다.
표2. 미국 기상청의GOES운용 요구사항 일람표 NWS GOES
Requirements Current Threshold Goal Operate sensors
through eclipse and
keep-out-zones No Yes Yes Resolve climatic,
synoptic, and mesoscale imaging
conflict
No Yes Yes
Improve temporal and spatial resolution of imager
spatial
vis 1 km 0.5 km 0.2 km IR 4 km 2 km 0.5 km
temporal
Full disk every 3 hours CONUS every 15
minutes
Full disk every 15 minutes CONUS every 5 minutes
Full disk every 15 minutes CONUS every 1 minutes Improve spatial
coverage of sounder
3000×300 0 km per hour
12000×12 000 km per hour
Full disk per hour Number of imager
channels 5 8 19
Navigation - daytime 6 km 0.5 km 0.2 km
Backup
2 weeks, if stored on orbit Otherwise
6-9 months
2 hours - imagery 2
days - products
As seamless
as possible
Sounder observati
onal accuracy
temper
ature 2 °K per
3-5 km 1 °K per
1 km 0.5 °K per 1km humidity ±20 % ±10 % ±5 % Improve sounder
resolution 10 km 10 km 2 km Recover time after
maneuvers 2-3 hours 1 hours 5 minutes Growth
(power & weight) None 5 % 25 %
이와 같은 요구사항에 부합하기 위하여 NOAA 는 제3세대 격인 GOES-R 시리즈의 개발을 계획 하며 우선적으로2000년3월과 2001년 1월 각각
와
Advanced Baseline Imager (ABI) Advanced 의 기술 개발 요구사항 Baseline Sounder (ABS)
을 문 (Technical Requirement Document: TRD) 서로서 제시하였다. ABI는현재 Ball Aerospace,
와 에서 개념설계가 진행 중에 있 ITT Raytheon
으며 표 에서 보는바와 같이 기존 영상기의 채널3 5 에 비하여 최대19채널까지 요구되고 있다.
는 기존의 탐측기 활용 경험을 바탕으로 NOAA
온도와 습도의 정확한 연직분포 구름 최고 고도, 의 정확한 산출 기후 변화에 영향을 주는 유동, 가스의 집중과 분포의 감시 해수면 온도의 보다,
정확한 산출 등을 위하여 열적외선 밴드의 거의 전 구간에 걸친 정확한 관측이 필요하다고 판단 하였다 이에 기술적으로는 다채널에서의 영상자. 료를 수집하기 위한 Micheson Interferometer와 지상에서 온도 및 습도 수직 분포를 유출해 내는 복원 시스템(Retrieval system)이 적용되는 ABS 의 개발을 요구하게 되었다. 표 에서는 기존의4 탐측기 성능과 ABS의 요구수준을 비교하였다 그. 러나 ABS의 개발에는 열적외선 밴드에서 사용되 는 탐지 소자의 성능 보장을 위한 냉각시스템이 확보되어야 할 뿐만 아니라 방대한 센서 자료의 전송 및 가공된 자료의 재분배 방식 등이 기존의 위성체 및 지상시스템과 유기적으로 연관되어 있 으므로 차세대 고성능 기상 관측 장비인 GIFTS (Geostationary Imaging Fourier Transform 개발 프로그램으로부터 일부 기술 Spectrometer)
을 적용할 것인지 다른 방법을 동원할 것인지 개 발 방향의 결정을 보류하고 있는 실정이다.
표3. GOES I시리즈Imager와ABI요구성능 비교
성능 현존 Imager ABI
채널수 5개 8~19개
해상도 Vis 1 km 0.5km
IR 4 km 2 km
전구 관측시간 30분 15분
정확도 Vis 3% at
100%albedo
IR less than 1 °K
위치유지능력 less than 4 km less than 1 km
표4. GOES I시리즈Sounder와ABS요구성능 비교
성능 현존 Sounder ABS
채널수 19개
형 (filter wheel )
개
~1400 (interfero 형 meter )
수직 해상도 3~5 Km 1 Km
수평 해상도 30 Km 10 Km
온도 측정 정확도 20 % 1°K 10 % 1°K
상대습도 정확도 20% 10%
전구관측시간 16시간 1시간
위치유지능력 less than 10 km less than 2.5 km
고성능 관측 장비 개발
5.3 GIFTS
미국 NASA에서는 21세기 New Millenium 의 일환으로 산학연 합동으로
Project GIFTS개발
프로그램을 수행 중에 있으며 2006년 발사 목표
로 현재 상세설계 검토회의(CDR)를 마친 상태이 다. GIFTS는 정지궤도에서 대기관측에 사용하고 자 하는 Interfer ometer 형 Spectrometer로서 전지구를 18 ,분 미국 대륙을 4분, 1500 × 1500 영역을 초 만에 관측할 수 있는 고성능을 보 km 30
유하고 있는 획기적인 기상 관측 장비이다 표 는. 5 유사 관측 장비와의 성능비교를 보이고 있다.
개발 프로그램에는 부수적으로 수반되는 GIFTS
고속 자료처리 기법 자료 압축기법 자동 위치유지, , 기법 고성능 능동 냉각기법 등과 같은 기술 요소의, 개발도 포함되어 있다 또한. GIFTS로부터 방대한 자료를 지상으로 전송하기 위해서는 55 Mbps의 속도가 요구되므로 기존의 밴드 주파수 대역을 사S 용하기가 불가능하므로X밴드를 사용할 계획이다. 지상에서는 스펙트럼을 통하여 획득된 원시자료로 부터 차원 공간상의 온도 습도 바람 등 기상자료3 , , 를 도출할 수 있는 복원 시스템이 개발되어야 한다.
이에 따라 기존의 GOES 기상위성 시스템과는 상 당히 차별화된 자료 전송체계와 지상 자료처리 시 스템이 구축되어야 한다.
표5. GOES Sounder성능 비교
성능 현존 Sounder ABS GIFTS
채널수 19 1452 1724
수
detector 4 256 16384
수평해상도 30km 10km 4km
관측시간 북미대륙
( ) ∼ 42분 ∼ 20분 ∼ 7분
전송속도
원시자료 40kbps 가공자료 2.1 Mbps
10 Mbps 55 Mbps
성능지수 1 4 66
는 년 발사하여 미국 대륙상공에서
NASA 2006 1
년간 시험 평가를 수행한 이후5-7년 동안 인도양 상공에서 기상 관측 임무를 수행할 계획이다 현재. 의GIFTS개발 프로그램은 향후 GIFTS를 탑재한 기상 관측 위성을 실용화하기 위하여 기상 관측 신 기술과 더불어 위성시스템 및 지상시스템의 총체적 개발 1단계로 개발개념의 구현 및 검증을 목표로 하고 있다 이에는 최신 관측기술이 원활히 작용되. 기 위하여 필수적으로 개발 적용된 부속 기술의 검 증도 포함된다 이 중에는 특히 기상자료의 신속한. 자료처리 기법과 자료 압축을 위한 소프 On-board
트웨어 로직 및 하드웨어의 검증과 운영시스템 검증을 하게 된다 는 (Operation System) . NASA
개발 프로그램이 성공하게 되면 차세대 위 GIFTS
성 시리즈인 GOES-R에 GIFTS나 GIFTS개발 기 술이 적용된ABS를 탑재할 구상을 가지고 있다.
기상 관측 자료 송수신 체계 보강 5.4
기상 관측 센서로부터 관측 데이터를 받아서 지 상에서 가공 처리한 이후 위성을 통하여 사용자에, 게 재분배되는 과정은 거의 실시간으로 운용되어야 한다 기상자료 사용자의 요구사항이 고도화됨에. 따라 센서 채널수의 증가 분해성능의 향상 관측주, , 기의 단축 등으로 인하여 자료 수집양이 극도로 증 가하게 되므로 이의 실시간 처리를 위해서는 상당 히 빠른 데이터의 전송속도가 요구된다 그림 에서. 5 는 개발년도 별 기상위성의 자료 전송 속도의 증가 추세를 보여주고 있다.
그림5.기상위성의 영상자료 전송 속도 증가 추이
정지궤도 기상위성의 자료 전송체계에는 안전성 이 보장되어야 함으로 센서데이터 및 가공된 데이 터의 지상송신은 거의 강우 감쇠효과가 없는 낮은 주파수 대역인L대역 즉, 1670 ~ 1698 MHz주파 수 대역을 사용하며 가공된 데이터를 위성을 보내 기 위해서는S대역 즉, 2025 ~ 2035 MHz 주파수 대역을 사용하도록 국제적으로 규정되어 있다 그. 러나 일반적으로 할당된 전 주파수 대역폭을 사용 할 수 없으므로 한정된 주파수 대역폭 내에서 최대 한의 전송속도를 구현할 수 있는 방법이 구현되어
야 한다 이를 위해서는 주파수 변조방식이나 편파. 방식뿐만 아니라 자료의 송수신 끝단이 되는 위성 체 지상국 자료 활용국 각각의 안테나 및 송수신, , 장비에 미치는 영향까지도 고려하여야 한다 만약. 한정된 주파수 대역폭에서 최대의 전송속도를 구사 하기가 어려울 경우에는 데이터를 송신하기 전에 데이터 압축기법을 사용하여 전송속도를 낮출 수 있는 방법을 모색하든지 불가피한 경우 원론적으로 과도한 데이터양의 근본 원인이 되는 관측 센서의 성능 요구조건을 완화하여야만 한다.
위성의 경우 영상기 관측 데이터와 GOES I-M
탐측기 관측데이터를1670 ~ 1698 MHz대역에서
대역폭을 사용하여 각각 와
5.8 MHz 2.934 Mbps 의 속도로 지상국으로 전송하고 있다 또
0.7 Mbps .
한 지상으로부터 받은 가공된 데이터는 4.8 MHz 밴드폭 내에서 2.374Mbps의 속도로 사용자에게 중계하고 있다 그러나. NOAA는 GOES-R의 경우 와 같은 고성능 관측 센서로부터 방대한 ABI, ABS
자료를 송수신하여야 하므로 기존의L, S밴드 주파 수 대역을 사용하는 것이 불가능하다고 판단하고 있다. NOAA는ABI관측 데이더와ABS관측 데이 터를 각각24 Mbps, 64 Mbps로 지상국으로 전송 하며 지상에서 가공된 ABI데이터는 8 Mbps로,
테이터는 혹은 로 압축하여
ABS 64 Mbps 1/4 16 로 사용자에게 전송하는 안을 상정하여
Mbps 2001
년 월 자국내 주파수 관리국에 표 과 같은 내용으7 6 로 주파수 사용 신청을 하였다 표 에서 보는 바와. 6 같이X밴드를 사용하여 위성과 지상국간의 송수신 을 수행하며 가공된ABS 데이터는 위성에서 압축 하여L밴드로 이용자에게 송신하고자 하는 안을 1 안으로 채택하고 있다 이는. GOES위성 자료의 이 용자로 하여금 기존의 수신 장비 시스템을 최대한 활용하도록 하고자 하는 배려인 셈이다.
현재 개발되고 있는GIFTS의 경우 엄청난 자료 의 양으로 기존의 S 밴드폭을 유지할 수 없으므로 위성 자체에서 관측데이터를 우선적으로 압축한 이 후에 X 밴드에서 55 Mbps의 속도로 전송하고자 설계하고 있다 더 나아가서. NASA에서는 그림 6 에서 보는바와 같이Ku 밴드에서120 Mbps의 속 도로 센서데이터를 지상으로 전송하고 지상에서 가 공된 데이터는 대부분 지상망을 활용하고 일부 데 이터만을 상업위성을 통하여 중계하는 방식에 대하 여 연구하고 있다.
표6. GOES-R주파수 신청 내역
대역명 용도 주파수
대역 주파수
대역폭 변조방식 전송속도
X
센서데이터 지상으로 송신 안(1 )
8215 - 8400 MHz
64.8
MHz OQPSK 90 Mbps
Ku
센서데이터 지상으로 송신 안(2 )
18.1 - 18.3 GHz
64.8
MHz OQPSK 90 Mbps
X
가공데이터 위성으로 송신 안(1 )
8175 - 8215 MHz
40
MHz 8-PSK 83.3 Mbps
S
가공데이터 위성으로 송신 안(2 )
2025 - 2110 MHz
30
MHz 16-QAM 83.3 Mbps
L
가공데이터 지상으로 송신 안(1 )
1683 - 1698 MHz
15
MHz 16-QAM 41.7 Mbps
L
가공데이터 지상으로 송신 안(2 )
1683 - 1704 MHz
21
MHz 8-PSK 43.7 Mbps
X
가공데이터 지상으로 송신 안(2 )
7450 -7550
MHz 40
MHz 8-PSK 83.3 Mbps
그림6.차세대 기상시험위성GATE의 자료전송 및 재분배 시스템
시리즈 개발 5.5 GOES-N
미국NOAA및NASA는 차세대격인GOES-R시 리즈를 개발함에 있어서GOES 2세대인GOES-8호 의 무리한 개발 경험을 바탕으로 하여 보다 철저한 준비과정을 거치기로 결정하였다. GOES-R 시리즈 가 개발 완료할 때까지는 현재의 위성체와 관측 센 서의 성능을 부분적으로 개선하여 GOES-N, O, P,
를 발사하기로 하고 현재 이
Q Boeing GOES-N, O 를 제작중이다. 그러나GOES 2세대 위성들의 궤도
상 수명, ABI, ABS의 개발 계획, GOES-N,O,,P의 발사 성공여부 등과 연동하여 GOES-Q의 제작 여 부는 유동적이다 그림. 7과 그림 8은 능동 냉각기 의 탑재 여부에 따른GOES-R위성의 개념도를 보 여주고 있다.
그림7. GOES-R개략도 능동 냉각기 미탑재 경우( )
그림8. GOES-R개략도 능동 냉각기탑재 경우( )
현실적으로 2004년에 발사될 GOES 2세대의 후 속 위성인GOES-N, O의 특성을 보면2001년에 발 사되었던 GOES-12를 포함한 GOES 2세대위성에 비하여 다음과 같이 월등히 개량된 면을 볼 수 있다.
위성체에 의한 외란에 대하여 센서의 Mirror
○
운동을 자동적으로 보상함으로써 보다 안정된 기상 자료를 획득할 수 있다
위성체가 Solar Sail없이 동적 균형을 유지할
○
수 있도록 하여 센서의 냉각판에 대한 열적 영향을 제거하여 센서의 성능을 높였다.
태양전지판과 배터리의 전력량을 높여 식기간
○
에도 센서를 작동할 수 있도록 하여 태풍과 같은 비 상시에도 영상자료 손실을 방지할 수 있다.
탑재 컴퓨터에 의한 향상된 자동 처리기법으
○
로 지상에서의 업무가 상당히 줄어들었다.
개월마다 위성체의 방향을 조정하여 센서 6
○
방열판에 대한 태양광선의 침투를 방지함으로써 센 서의 성능을 향상시켰다.
센서류 특히 광학장비는 온도의 변화에 민감
○
하므로 가급적 위성본체와 단열되어야 한다 센서. 류를Optical Bench 위에 설치하도록 설계하여 보 다 엄격한 열제어 수단이 강구되었다.
정밀 영상 고정시스템의 성능을 개량하기 위
○
하여Star Tracker가 설치되었다.
정지궤도기상위성개발업체현황 6.
위성체 제작업체
6.1 (spaceraft)
미국 6.1.1 Space Systems/Loral (SS/L; )
은 전신인 에서 년대
SS/L Ford Aerospace 1970 중반 실용급 정지궤도 기상위성을 처음으로 개발 한 이래1990년대 기상위성의 전형이 된 축 자세3 방식의 GOES위성 시리즈의 개발을 비롯하여 총 기를 제작한 경력이 있으며 현재는 년 발
13 2004
사 예정인 일본MTSAT-1R 위성을 제작 중에 있 다 특히. SS/L은INSAT-1위성 시리즈 개발 사업 을 통하여 3축자세 안정화 방식의 위성체를 기상 위성용으로 처음 도입하였고 통신방송기상위성과 같은 복합기능의 위성체를 처음으로 개발하는 등 으로 기상위성 개발 기술을 주도해 오고 있다.
이 제작 납품한 정지궤도 기상위성은 표 과
SS/L , 7
같다.
표7. SS/L정지궤도기상위성 및 통신방송기상위성 제작실적
위성명 발사시기 발주처 특징
GOES 1,2,3
1975/
1977/
1978 미국 NOAA
최초의 실용급 정지궤도 기상위성
회전 안정화 방식 기상위성
INSAT 1A,1B, 1C,1D
1982/
1983/
1988/
1990 인도
최초의 축 자세 제어방식 정3 지궤도기상위성
최초의 통신방송기상 복합기 능의 정지궤도기상위성
GOES 8-12 (I-M)
1994/
1995/
2000/
2002 미국 NOAA
전형적인 3축 자세제어방식 정지궤도기상위성
MTSAT -1, 1R
1999/
예정
2004 일본
축 자세제어 방식의 복합기 3
능 정지궤도 기상위성 기상관측 및 항공통제 임무
( )
